摘要：本文将针对铬钼钢材料的特性，对铬钼钢管道支架的选择及优化进行探讨，从而避免或减少在焊接支架的过程中产生延迟裂纹的几率。
关键词：铬钼钢；管道；支架；焊接
引言
铬钼钢是一种低合金高强度钢，具有耐热性好、强度高、耐腐蚀等特点，由于其自身拥有的良好性能，被广泛应用于石油化工行业，尤其是在高温、高压的管道系统中经常被选用。
然而，在石油化工的发展过程中，存在铬钼钢管道焊接质量方面的问题，大部分是由焊接裂纹引起的，由于铬钼钢管道焊接过程中质量控制和管理不到位，在焊接过程和焊接结束后易产生延迟裂纹，导致管道泄漏事故。
本文将针对上述铬钼钢材料的特性，对铬钼钢管道支架的选择及优化进行探讨，从而避免或减少在焊接支架的过程中产生延迟裂纹的几率。
1.铬钼钢管道支架的选择
管道支架在整个管道系统中担负着许多重要作用，除了固定、承重，这两种基本形式外，还起到防止管道热膨胀位移、弯曲变形等功效。管道支架的基本形式有两种，即焊接型支架和管卡型支架，按照管道支架的功能细分，又可分为滑动支架、固定支架、止推支架、导向支架、止推导向支架、吊架、弹簧支吊架及阻尼器等。
由于铬钼钢管道所在的管道系统，大多为高温高压介质，基本上所有的管道都需要经过应力计算，并核算出管道中支架的荷载以及位移，根据应力计算的结果，往往以上所有类型的支架都可能会被应用在铬钼钢管道系统中。
1.1焊接型支架
根据中国人民共和国石油化工行业标准SH/T 3073-2016[1]，石油化工管道支架设计规范中的4.7条的规定：合金钢或不锈钢材质的管道，不宜采用焊接型的支吊架。
然而在工程设计实践中，由于铬钼钢材质的管道通常被用于高温高压的管道系统，根据管道应力计算的要求，在铬钼钢材质的管道上会出现在某些荷载点上既不能有线位移，又不能有角变位的情况，以及会存在限制管道径向或轴向位移的较大荷载点，而且在荷载点的选择上，有时也会指定在特定的位置设置支架，如弯头等管件处，而往往普通的管卡型支架无法满足上述的要求。
因此，通常情况下，我们认为以下三种类型的焊接支架，不得不在铬钼钢材质的管道上使用。
（a）固定支架
（b）在较大荷载情况下的，有导向或止推功能的支架
（c）弯头支架
铬钼钢管道上的焊接支架一般情况下由护板、假管或钢结构以及地板这三种构件组成（如图1、图2所示）
图2 假管连接的焊接型支架
（1）护板
在铬钼钢管道上设置护板，主要是为了在荷载点受到较大应力的情况下，对主管的管壁进行局部的补强，从而起到保护主管的作用。在选用护板的时候，有以下两点需要特别注意，其一，护板应采用与主管相同的材料；其二，护板与主管的焊缝厚度，应同主管的壁厚相同，如果主管的壁厚大于6mm，则护板与主管的焊接高度最大不能超过6mm。
（2）假管或钢结构
与护板连接的假管或钢结构是支架中主要的受力构件，应严格按照管道应力计算后对支架所在荷载点的计算结果，选择合适尺寸及壁厚的假管或选择合适厚度、大小、数量的钢板。
假管和钢结构的材料，应根据主管及管道设计温度的不同，而选择不同种类的材料。
（3）底板
底板是铬钼钢焊接支架中的最后一个构件，与假管或钢结构相连。在焊接型固定支架中，底板应与管墩的顶板或钢结构焊死，起到固定的作用；在存在限制管道径向或轴向位移的导向或止推焊接支架中，底板沿轴向或径向的方向，需在支撑面上焊接止推及限位挡块，起到阻止管道轴向或径向位移的作用。
1.2管卡型支架
管卡型支架在石油化工装置的管道设计中，通常被用于合金钢、不锈钢及需要进行焊后热处理的管道上，在一些输送冷冻介质的管道，非金属材料的管道以及经常需要检修的管道中，同样应该使用管卡型支架。[1]
管卡型支架的基本构成，如图3所示，通常是由抱卡和钢结构或假管组成。
图3 钢结构连接的管卡型支架
1.2.1 铬钼钢管道上管卡型支架特点
铬钼钢管道上的管卡型支架与其他材料的管卡型支架没有明显的区别，都普遍存在以下两个特点：
（1）管卡型支架容易出现腐蚀的情况，主要是因为在支架和管道之间可能会积水，如果在可能会腐蚀的情况下使用管卡型支架，则应采取预防措施以保护管道以及减少支架受腐蚀的风险，例如在不保温的管道上使用管卡型支架，需在支架抱卡和主管的缝隙涂抹密封胶；在保温的管道上使用管卡型支架，应适当增加保温厚度，将抱卡全部包裹在保温当中。
（2）当选用的支架的抱卡与主管的材料不同时，为防止电偶腐蚀，应在不同金属材料的抱卡和管子之间使用一层合成橡胶、玻璃纤维带或其他绝缘材料将抱卡与管子分开。
2.铬钼钢管道支架的优化
2.1焊接型支架优化
铬钼钢由于其材料对延迟裂纹敏感的特性，在焊接过程和焊接结束后，易在焊缝及热影响区附近产生延迟裂纹和热裂纹，裂纹的形成与扩展与扩散氢含量、残余应力大小及淬硬马氏体金相组织状态密切相关，其形成宏观裂纹以致贯穿性裂纹的时间与材料的韧性和残余应力大小有很大关系，可能需要几天，甚至更长，这给通过无损检测发现缺陷并消除带来了困难，如在焊接过程或在焊后热处理过程中的质量控制及管理不到位，很容易产生裂纹，导致管道泄漏，甚至会引起火灾事故的发生。[2]
以往的铬钼钢管道焊接支架设计中，护板与主管的连接是满焊型的，也就是护板的四边与主管全满焊，且焊缝为角焊缝。此种设计方式，由于护板本身不能完全贴合主管，再加上四边全满焊，可能会导致护板本身的应力以及焊接的残余应力无法完全释放，从而产生裂纹。如某炼厂出现的管道泄漏事故，经实验室分析，得出如下结论：
管道因氢脆开裂而失效，氢脆开裂始于焊缝热影响区的内径表面以及护板和管道外径表面之间的焊缝根部，即护板的尖角处，如图4所示。内径和外径侧的裂纹可能分别与内径表面上热影响区的应力开裂和焊缝的延迟开裂有关。内径产生的裂纹扩展到管道厚度的一半以上，并与从焊缝根部传播的裂纹合并，从而形成了全厚度裂纹。焊缝和热影响区局部区域的硬度明显较高（>248HV），焊缝处的残余应力较高，从而促进了失效。
图4 实验室微观显示裂纹位置的刨面图
为避免出现上述缺陷，在设计过程中，应对护板的焊缝进行优化，从而起到在满足管道荷载的基础上，最大程度的减少焊接量。同时，应在施焊过程中采取适当的预防措施，并根据相关的标准规范制定严格的焊接工艺程序以及焊后热处理程序。[3]
基于上述的原因，以及实验室分析的结果，可以通过对护板形状和焊缝长度的优化，起到一定的减少在焊接过程中有可能产生的残余应力的作用，具体的优化措施如下（见附图5）：
（1）护板形状由矩形倒角改为带圆弧倒角的形式。
（2）焊接时按照顺管道方向长边焊接，从圆角处起焊，焊接至另一个圆角处，焊接完成后将起弧点和收弧点位置打磨干净；
（3）立管和平管支架护板只焊接长边，顺管道方向（轴向）；
（4）为了保证焊接和热处理的质量，所有的护板焊接和热处理工作宜在预制场或工厂内完成，尽量不要在现场进行。
（5）弯头支架沿圆弧方向，不满焊，对于弯头护板制作，在条件允许的情况下，弯头、护板、焊接短节这三个组件建议整体在制造厂内完成焊接和焊后热处理。
图5 优化后的支架护板详图
2.2管卡型支架优化
管卡型支架在铬钼钢管道上的应用是最为广泛的，但是由于管道抱卡本身具有一定的局限性，有时无法满足应力计算后管道荷载的要求以及限制管道位移的要求。
对于需轴向限位的水平管道以及竖直管道上，由于受到管道自身的重力影响，再加上经管道应力计算后，管道上的一些荷载点需限制管道的轴向位移，需要较大的作用力才能限制住管道的位移，以达到应力计算后要求的结果。而在之前的管卡支架设计中，仅仅考虑了在钢结构上设置挡块，限制住了支架的轴向位移，可是在较大的轴向力或抱卡本身没有完全和管道抱死的情况下，可能会造成支架本身被挡块限制了位移，但管道会在抱卡中轴向移动，导致支架失效，没有起到限制轴向位移的作用。
对于需径向限位的管道，由于支架自身被侧向的挡块限制了位移，在较大且持续的径向水平力的作用下，可能会导致抱卡在管道上发生旋转，导致支架的失效。
针对上述可能导致管卡支架失效的分析，并结合工程实践中的各种情况，可将管卡型支架的优化方案归类为下列三种：
a.受轴向限位的水平管道管卡型支架
在保留支架本身挡块的基础上，在管道上焊接支耳挡块，起到在较大轴向力作用下，阻止管道在抱卡中位移的作用，如图6所示。管道挡块的间距应与抱卡的长度一致，即两个管道挡块应和抱卡完全贴合，且长度不宜超过100mm，以减少在焊接过程中产生裂纹的风险，挡块的材料应与主管本身一致，的焊后热处理应在安装管道抱卡前完成，所有的护板焊接和热处理工作宜在预制场或工厂内完成，尽量不要在现场进行。
图6 受轴向限位的水平管道管卡型支架
b.立管上的管卡型支架
由于管道本身受自身重力作用或管道的位移向下的情况下，则需要在抱卡上方紧贴抱卡的位置的管道上焊接挡块，起到在较大作用力的情况下，阻止管道在抱卡中位移的作用，如图7所示，立管上挡块的长度、材质及焊接的要求与水平管道上挡块相关的要求一致。
图7 立管上的管卡型支架
c.受径向限制的水平管道管卡型支架
为了避免在较大径向水平力的作用下，出现抱卡在管道上发生旋转的情况，可将原有的挡块设计成倒“L”型，限制抱卡向上位移的空间，如图8所示。
需要注意的是，若该管道在受径向水平力的作用下，同时还有向上位移的话，那么需要留出管道向上位移的空间，即图8中的“x”值，应能满足管道向上位移的量，以符合管道应力计算的需要。
图8 受径向限制的水平管道管卡型支架
3.总结与探讨
支架选择与设计是配管设计中的重点，而铬钼钢管道的支架设计更是其中的难点，也是炼厂在运行中易发生事故的隐患点。本文简要介绍了铬钼钢管道上支架的选择，以及结合铬钼钢自身材料的特点和工程实践中的应用，对铬钼钢管道支架进行了优化。
然而，笔者认为：如果要彻底杜绝由于铬钼钢管道支架失效或焊缝裂纹引起的事故，不仅仅要对支架本身的设计及优化进行研究，更重要的是，应该从焊接及焊后热处理工艺角度出发，严格遵守铬钼钢管道焊接和热处理的相关标准规范，对焊前预热、控制层间温度、焊后后热及焊后热处理的时间和温度进行严格的管控，从而降低扩散氢含量，消除残余应力。
参考文献：
[1]石油化工管道支吊架设计规范 SH/T 3073-2016
[2]朱会林，珞钼钢管道焊缝热处理和射线检测的时机与裂纹控制，焊接技术，2016年第二期
[3]石油化工铬钼钢焊接规范 SH/T 3520-2015